模块化多足步行机器人机械系统研究

摘要

经过近半个世纪的发展，多足步行机器人仍然存在功能单一、结构复杂、环境适应能力不高、可维护性差等缺点，未能在人类的生产生活中得以大规模应用。 本文针对已有技术的不足，以研制一种具有丰富功能、环境适应性强、结构简单、维护方便的步行机器人为目标，提出一种具有模块化特征的多足步行机器人设计方案。 通过对多足步行机器人机构特性与运动学分析、足的静力学分析和足关节静态负载分析计算、机械系统的模块化设计方法，以及模块化步行机器人的构型与运动仿真试验研究等，研制了具有模块化和腿/臂融合特征的MiniQuad 机器人原理样机。 综合分析几种典型多足步行机构模型，以爬行类机构为主进行运动学分析，推演了MiniQuad 机器人运动学特性的计算方法，计算得到包括自由度、正运动学和逆运动学在内的特征参数，为力学分析和结构设计提供依据。 针对多足步行机器人的静态受力情况进行分析，提出了考虑足的质量情形下的足关节静态受力分析方法，并通过引入雅克比矩阵简化了静力平衡方程的推导和计算，为模块化步行机器人足关节负载分析提供了理论依据。在此基础上，分析计算得到MiniQuad各关节在静态受力情况下的负载情况，为结构设计、零件选型和设计提供了基本依据。 在上述运动学分析和静力学分析基础上，利用模块化思想设计了多足步行机器人的运动机构，该机器人由三种基本模块组合而成，并能够改变构型而重构成多种形式的多足步行机器人系统。 根据机器人的多种爬行运动以及物品抓取和搬运等一系列仿真，论述了MiniQuad模块化多足步行机器人具有功能丰富、结构简单、构型可变、易于扩展维护等特点。